CN104393603A - 自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变电站自动电压控制中基于拓扑着色实时自动生成控制单元的方法，属于电力***自动电压控制技术领域。包括：消去变电站内的变压器绕组和所有断开的隔离开关、断路器，对变电站其余结构进行拓扑着色分析；根据变压器高、中压侧绕组的连接端点所在的拓扑岛，确定变压器高压侧、中压侧连接的逻辑母线，并根据变压器和逻辑母线关系创建新的控制单元，或把变压器加入已有控制单元；根据变压器低压侧绕组连接端点所在的拓扑岛确定其连接的低压逻辑母线，并将低压逻辑母线加入控制单元；通过站内的各无功补偿设备连接端点所在的拓扑岛确定其连接的逻辑母线，并将无功补偿设备加入到控制单元。本发明方法能够快速、正确形成变电站控制单元。

Description

自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法

技术领域

本发明属于电力***自动电压控制技术领域，特别涉及变电站自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法。

背景技术

自动电压控制(以下简称AVC，Automatic Voltage Control)***是实现电网安全(提高电压稳定裕度)、经济(降低网络损耗)、优质(提高电压合格率)运行的重要手段。AVC***架构在电网能量管理***(EMS)之上，能够利用电网实时运行数据，从电网全局优化的角度科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给电厂、变电站以及下级电网调度机构执行。AVC***以电压安全和优质为约束，以***运行经济性为目标，连续闭环地进行电压的实时优化控制，实现了无功电压协调控制方案的在线生成、实时下发、闭环自动控制等一整套分析、决策、控制，以及再分析，再决策、再控制的无功电压实时追踪控制问题，能够有效地克服传统的电网无功电压控制手段存在的不足，提高电网安全稳定经济运行的水平。孙宏斌、张伯明、郭庆来在《基于软分区的全局电压优化控制***设计》(电力***自动化,2003年，第27卷第8期，16-20页)中说明了大电网自动电压控制的体系结构。

AVC***的主站部分是在电网控制中心基于软件程序实现的自动电压控制方法，其对电网的电压控制方法主要有对电厂发电机无功控制方法以及对变电站的无功设备控制方法2类。其中对电厂的发电机无功控制方法，目前采用的主要方式是:调度中心的AVC***通过无功优化计算得到电厂各机组的无功调节量后，通过无功电压灵敏度将机组无功调整量转换为电厂高压侧母线电压的控制目标值，主站通过数据通信通道向电厂的AVC子站***发送电厂高压侧母线的电压控制目标值，电厂的AVC子站接收到目标值后，根据当前电厂内各台发电机的运行状态，采用步进方式调整发电机发出的无功，直到高压侧母线达到AVC主站下发的设定值，发电机发出的无功增加/减少时，高压侧母线电压升高/降低。对变电站的控制方法为对无功补偿设备的投切指令以及变压器有载调压分接头的调节指令。无功设备主要包括电容器和电抗器，当投入电容器或切除电抗器时，母线电压升高；当切除电容器或投入电抗器后，母线电压降低。变压器有载调压分接头一般装载在变压器高压侧绕组，分接头档位升高时中低压母线电压升高，反之降低。AVC主站下发投入或切除无功设备的指令以及分接头升降指令，变电站内的自动化监控***根据接收的指令，完成站内无功设备的投切或分接头的调节。

在电力***控制中心的AVC软件程序中，传统的变电站多采用“九区图”控制方式来计算无功设备和有载调压分接头的控制方法。九区图控制方式是典型的电压、无功双参数控制方法，它将变压器高压侧绕组无功功率Q和低压侧母线电压U分别作为二维坐标平面的横、纵坐标轴，根据电压和无功均存在3种状态即合格、过高和过低，从而将二维坐标平面分为九个区域，根据调节判据得出不同区域的控制方法。赵永存，韩富春，尹庆福在《基于九区图控制的变电站电压无功自动装置》(山西电力,2005年，第2期，1-3页)中说明了一种典型的“九区图”方法。该方法的主要不足，是仅能考虑变电站内单一电压等级的母线电压U(一般为低压侧母线)，无法兼顾其他电压等级母线电压，这种方法已经不能满足电网的运行控制要求。

随着自动电压控制技术的发展，新的变电站自动电压控制方法也逐步出现，郑广君、苑画舫在《基于调控一体的北京电网自动电压控制》(第四届(2010)全国电力***无功/电压技术交流研讨会论文集，2010年，西安，120～125页)中提出了一种面向多目标的变电站优化控制方法，主要的原则是：同时将变电站内多个电压等级母线的电压和变压器无功作为控制目标，通过多个控制目标之间的协调，实现变电站的优化控制。具体的控制目标包括：

1)母线电压合格。变电站控制首先保证站内各电压等级的母线电压合格。当由于控制手段用尽，确实不能保证各电压等级母线电压合格时，按照预设的优先级，优先保证高级别母线电压合格。

2)无功合理。在所有母线电压合格的基础上，考虑变压器高压侧绕组无功合格。

3)主网电压优化。在电压合格和无功合理的条件都能满足的情况下，进行主网母线的电压优化控制。

该方法突破了传统的变电站AVC控制中只以站内某一电压等级母线电压为控制目标的限制，可以实现变电站内各侧电压等级母线电压合格，满足了电网运行要求。目前该方法在省级电网控制中心得到比较广泛的应用。

在面向多目标的变电站优化控制方法中，由于控制目标考虑了各电压等级的母线电压合格，而变电站内无功补偿设备对各电压等级母线电压均有影响，并且在不同的运行方式下影响效果也不同，因此需要准确描述无功补偿设备与各级母线之间的关系。目前AVC软件程序主要采用“变电站控制单元”来描述这种关系。变电站控制单元由变压器、逻辑母线、物理母线和无功设备组成，其内容为：

变电站各电压等级的实际母线，其具有实时的电压值。

逻辑母线：多条物理母线通过闭合的开关刀闸并列运行，组成一条逻辑母线，其名称以组成之一的某个物理母线代表，电压值取组成的全部物理母线电压值的平均值。

控制单元：变电站内运行的变压器，以及变压器高、中、低压侧绕组分别连接的逻辑母线、以及低压侧逻辑母线所连接的无功补偿设备组成一个控制单元。如果多台变压器的高、中压侧绕组连接相同的高、中压逻辑母线，则它们组成同一个控制单元。

变电站控制单元的层次结构如图1所示，在控制单元中，有主变、母线、无功设备等设备，主变分别连接高压侧、中压侧、低压侧逻辑母线，逻辑母线中包含若干物理母线，在低压侧物理母线上还连接着无功设备。变电站控制单元中清晰描述了变电站内各无功补偿设备与各级母线的拓扑连接关系，并且由于变电站控制单元是在线实时生成的，因此可以自动适应变电站运行方式的变化。变电站控制单元已经成为AVC软件程序实现变电站控制方法的重要依据

从已经公开的文献发现，目前AVC软件程序中，多采用直接拓扑搜索方法来生成变电站控制单元，即根据变电站内的设备拓扑结构，从变电站高压侧母线出发进行深度优先的拓扑搜索，将搜索到的母线、变压器、无功设备等逐步加入到控制单元中，最终按照主变是否并列运行形成若干控制单元。在变电站规模较大时这种方法速度较慢，难以满足AVC实时控制的要求。

本发明内容中涉及到对变电站内设备拓扑结构的描述，在行业标准《能量管理***应用程序接口(EMS-API)第301部分:公共信息模型(CIM)基础》(DL/T 890.301-2004)中对变电站内设备的连接方式给出了规范的描述方法，主要内容如下。

为了描述设备建立连接关系，定义了导电设备(ConductingEquipment)、连接端子(Terminal)、连接节点(ConnectivityNode)和拓扑岛(TopologicalIsland)，分别如下：

导电设备：电力***的组成部分，是为输送电流或与导电连接相关的器件，一般包括输电线路、变压器绕组、物理母线、隔离开关、断路器、电容器、电抗器等。

连接端点：导电设备的电气连接点，一个导电设备可以有1个或多个连接端点，变压器绕组具有1个连接端点，隔离开关和断路器具有2个连接端点，无功补偿设备具有1个连接端点、母线具有1个连接端点。

连接节点：连接节点是这样的一些点，在这些点上导电设备的连接端点通过零阻抗连接在一起。一个连接节点可以包含任何数目的连接端点，从而表明这些连接端点所属的导电设备连接在一起。

拓扑岛：网络的一个电气连接的子集，包含电气连接在一起的导电设备、连端点和连接节点。拓扑岛会随着当前网络状态的变化(即隔离开关、断路器等改变状态)而变化。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法，在AVC***变电站自动电压控制中，采用拓扑着色方法，实时快速自动形成变电站控制单元，用于变电站的电压控制计算。该方法能够满足AVC对大型变电站实时控制的要求。

本发明提出的变电站自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)当计算周期到来时(AVC控制中一般采用的是30秒为一个计算周期)，首先从电网监控***获得当前变电站完整的拓扑结构，存入数据缓冲区中；该拓扑结构包括变电站中的各种设备以及设备之间的连接关系；

2)对缓冲区内的拓扑结构中变电站设备进行消去：首先消去变电站内的变压器绕组，其次将所有处于断开状态的隔离开关、断路器消去；消去后的该变电站拓扑结构解列为多个拓扑岛；对各个拓扑岛内的设备进行拓扑着色编码并建立主变和拓扑着色编码的关系；

3)根据不同的着色编码找到每个拓扑岛中所包含的全部设备连接端点和物理母线，将拓扑岛中的物理母线按照电压等级合并为逻辑母线，每个拓扑岛的每个电压等级下只有一条逻辑母线；

4)选择拓扑结构中变电站内的未加入到控制单元的某台变压器Ti，根据变压器Ti和拓扑着色编码的连接关系找到变压器Ti对应的拓扑着色编码，对该变压器Ti的高压侧绕组的连接端点，根据该高压侧连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛内的高压侧逻辑母线Bh；对该变压器Ti的中压侧绕组的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在拓扑岛内的中压侧逻辑母线Bm；

5)根据步骤4)找到的高压侧逻辑母线Bh和中压侧逻辑母线Bm和已经生成的该变电站的控制单元Uj做比较，如果控制单元Uj的高压侧逻辑母线Bh、中压侧逻辑母线Bm与步骤4)中找到的高压侧逻辑母线Bh和中压侧逻辑母线Bm都相同，则把该变压器Ti加入到该控制单元Uj中，并跳转到步骤7)，否则建立新的控制单元Ui，将变压器Ti、高压侧逻辑母线Bh、中压侧逻辑母线Bm加入到该控制单元Ui中；

6)对变压器Ti的低压侧绕组的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛以内的低压侧逻辑母线Bl，将低压侧逻辑母线Bl加入到控制单元Ui中；

7)返回步骤2)处理下一台变压器，直到拓扑结构中变电站的全部变压器都加入到控制单元中；

8)选择变电站内某台无功补偿设备Cpi，对Cpi的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛内的低压逻辑母线，将Cpi加入到该低压逻辑母线所在的控制单元中；

9)返回步骤8)处理下一台低压侧无功设备，直到变电站中全部无功补偿设备都加入到控制单元中，至此全部控制单元生成完毕。

本发明的特点及效果：本发明方法能够正确快速的形成控制单元，根据目前应用情况使用本发明的方法对100座变电站进行计算，大约可以在0.5秒内完成。在使用常规的拓扑搜索方法形成控制单元大约需要10到15秒。对大型的电网控制时，常规的拓扑搜索方法比较慢会影响到控制计算。

附图说明

图1是变电站控制单元的层次结构图。

图2是基于本发明的实施电网结构图。

图3是基于本发明的实施电网支路图。

具体实施方式

本发明提出的控制单元生成方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的变电站自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)当计算周期到来时(AVC控制中一般采用的是30秒为一个计算周期)，首先从电网监控***获得当前变电站完整的拓扑结构，存入数据缓冲区中；该拓扑结构包括变电站中的各种设备以及设备之间的连接关系；

2)对缓冲区内的拓扑结构中变电站设备进行消去：首先消去变电站内的变压器绕组，其次将所有处于断开状态的隔离开关、断路器消去；消去后的该变电站拓扑结构解列为多个拓扑岛；对各个拓扑岛内的设备进行拓扑着色编码并建立主变和拓扑着色编码的关系；

3)根据不同的着色编码找到每个拓扑岛中所包含的全部设备连接端点和物理母线，将拓扑岛中的物理母线按照电压等级合并为逻辑母线，每个拓扑岛的每个电压等级下只有一条逻辑母线；

4)选择拓扑结构中变电站内的未加入到控制单元的某台变压器Ti，根据变压器Ti和拓扑着色编码的连接关系找到变压器Ti对应的拓扑着色编码，对该变压器Ti的高压侧绕组的连接端点，根据该高压侧连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛内的高压侧逻辑母线Bh；对该变压器Ti的中压侧绕组的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在拓扑岛内的中压侧逻辑母线Bm；

5)根据步骤4)找到的高压侧逻辑母线Bh和中压侧逻辑母线Bm和已经生成的该变电站的控制单元Uj做比较，如果控制单元Uj的高压侧逻辑母线Bh、中压侧逻辑母线Bm与步骤4)中找到的高压侧逻辑母线Bh和中压侧逻辑母线Bm都相同，则把该变压器Ti加入到该控制单元Uj中，并跳转到步骤7)，否则建立新的控制单元Ui，将变压器Ti、高压侧逻辑母线Bh、中压侧逻辑母线Bm加入到该控制单元Ui中；

6)对变压器Ti的低压侧绕组的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛以内的低压侧逻辑母线Bl，将低压侧逻辑母线Bl加入到控制单元Ui中；

7)返回步骤2)处理下一台变压器，直到拓扑结构中变电站的全部变压器都加入到控制单元中；

8)选择变电站内某台无功补偿设备Cpi，对Cpi的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛内的低压逻辑母线，将Cpi加入到该低压逻辑母线所在的控制单元中；

返回步骤8)处理下一台低压侧无功设备，直到变电站中全部无功补偿设备都加入到控制单元中，至此全部控制单元生成完毕。

实施例

本发明的一个具体实施例的电网结构如图2所示，本实施例为500kV变电站的控制单元生成方法，图中，B₁、B₂是500kV的母线，B₃、B₄是220kV的母线，B₅、B₆是35kV的母线，Br₅为35kV母联开关，Br₈为220kV母联开关，T₁、T₂为变压器，Cp₁–Cp₄为容抗器。

本实施例的生成控制单元的方法具体包括以下步骤：

1)当计算周期到来时，本实施例设置30秒为1个计算周期，首先从电网监控***获得当前变电站完整的拓扑结构，存入数据缓冲区中；该拓扑结构包括变电站中的各种设备以及设备之间的连接关系；本实施例的拓扑结构如图2所示，包含两台主变T₁、T₂，2条500kV母线B₁、B₂、2条220kV母线B₃、B₄、2条35kV母线B₅、B₆，12个开关Br₁–Br₁₂，4个容抗器Cp₁–Cp₄，4条线路Line₁、Line₂、Line₃、Line₄。

2)对缓冲区内的拓扑结构中变电站设备进行消去：首先消去变电站内的变压器绕组，其次将所有处于断开状态的隔离开关、断路器消去；消去后的该变电站拓扑结构解列为多个拓扑岛；根据拓扑岛对拓扑岛内的设备进行拓扑着色编码并建立主变和着色编码的关系。本实施例开关Br5 Br8是闭合状态时形成一个拓扑岛TO₁：包含500kV母线B₁、B₂、220kV母线B₃、B₄、35kV母线B₅、B₆，容抗器Cp₁–Cp₄，线路Line₁、Line₂、Line₃、Line₄。对TO₁内设备和连接关系着色编码，并和主变T₁、T₂建立连接关系。开关Br5 Br8是断开状态，可以形成两个扑岛TO₁ TO₂，

TO₁包含母线B₁、B₃、B₅，线路Line₁和Line₃，容抗器Cp₁、Cp₂，TO₂包含母线B₂、B₄、B₆和线路Line₂和Line₄，容抗器Cp₃、Cp₄，分别对TO₁ TO₂内设备和连接关系着进行着色编码，即着色编码按照不同的颜色标示，并分别和T₁、T₂建立对应关系。

3)根据不同的着色编码找到每个拓扑岛中所包含的全部设备连接端点和物理母线，将拓扑岛中的物理母线按照电压等级合并为逻辑母线，每个拓扑岛的每个电压等级下只有一条逻辑母线；最终可得图3中所示形成的着色结构，开关Br5 Br8是闭合状态时形成如图3(a)所示的拓扑着色岛，包含逻辑母线B₁、B₃、B₅线路Line1、Line₂、Line₃、Line₄容抗器Cp₁–Cp₄。开关Br₅ Br₈是断开状态时，形成两个拓扑着色岛，如图3(b)所示的拓扑着色岛，包含逻辑母线B₁、B₃、B₅，线路Line₁和Line₃，容抗器Cp₁、Cp₂，如图3(c)所示的拓扑着色岛，包含逻辑母线B₂、B₄、B₆和线路Line₂和Line₄，容抗器Cp₃、Cp₄。

4)本实施例中先对变压器T1根据着色编码查找母线，高压侧逻辑母线为B₁，中压侧逻辑母线为B₃。对变压器T₂根据着色编码查找母线，如果开关Br₅ Br₈是闭合状态，高压侧逻辑母线为B₁，中压侧逻辑母线为B₃。如果开关Br₅ Br₈是断开状态，高压侧逻辑母线为B₂，中压侧逻辑母线为B₄。

5)本实施例中新建控制单元U₁，加入逻辑母线B₁、B₃，以及变压器T₁。处理T₂时如果Br₅ Br₈是闭合状态找到逻辑母线为B₁和B₃，和U₁的逻辑母线一致，T₂加入到控制单元U₁中，最终形成一个控制单元。如果Br₅ Br₈是断开状态，找到逻辑母线为B₂和B₄，则要新建控制单元U2，加入逻辑母线B₂、B₄，以及变压器T₂，最终形成两个控制单元。

6)本实施例中选择低压侧无功设备Cp₁，通过着色编码找到对应的母线为B₅,把无功设备加到控制单元中对应的低压逻辑母线B₁中。

7)同样处理Cp₂、Cp₃、Cp₄，至此全部控制单元生成完毕。

根据上述步骤，如果Br₅ Br₈是闭合状态可形成控制单元U₁，U₁中包含设备：500kV逻辑母线B₁(包含物理母线B₁,B₂)、220kV逻辑母线B₃(包含物理母线B₃,B₄)、35kV逻辑母线B₅(包含物理母线B₅,B₆),变压器T₁、T₂，无功设备Cp₁、Cp₂、Cp₃、Cp₄。如果Br₅ Br₈是断开状态，两个变压器处在***运行状态，可形成控制单元U₁、U₂。U₁中包含设备：500kV逻辑母线B₁(包含物理母线B₁)、220kV逻辑母线B₃(包含物理母线B₃)、35kV逻辑母线B₅(包含物理母线B₅),变压器T₁，无功设备Cp₁、Cp₂。U₂中包含设备：500kV逻辑母线B₂(包含物理母线B₂)、220kV逻辑母线B₄(包含物理母线B₄)、35kV逻辑母线B₆(包含物理母线B₆),变压器T₂，无功设备Cp₃、Cp₄。

Claims (1)

1.变电站自动电压控制中基于拓扑着色实时生成控制单元的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)当计算周期到来时，首先从电网监控***获得当前变电站完整的拓扑结构，存入数据缓冲区中；该拓扑结构包括变电站中的各种设备以及设备之间的连接关系；

2)对缓冲区内的拓扑结构中变电站设备进行消去：首先消去变电站内的变压器绕组，其次将所有处于断开状态的隔离开关、断路器消去；消去后的该变电站拓扑结构解列为多个拓扑岛；对各个拓扑岛内的设备进行拓扑着色编码并建立主变和拓扑着色编码的关系；

3)根据不同的着色编码找到每个拓扑岛中所包含的全部设备连接端点和物理母线，将拓扑岛中的物理母线按照电压等级合并为逻辑母线，每个拓扑岛的每个电压等级下只有一条逻辑母线；

4)选择拓扑结构中变电站内的未加入到控制单元的某台变压器Ti，根据变压器Ti和拓扑着色编码的连接关系找到变压器Ti对应的拓扑着色编码，对该变压器Ti的高压侧绕组的连接端点，根据该高压侧连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛内的高压侧逻辑母线Bh；对该变压器Ti的中压侧绕组的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在拓扑岛内的中压侧逻辑母线Bm；

5)根据步骤4)找到的高压侧逻辑母线Bh和中压侧逻辑母线Bm和已经生成的该变电站的控制单元Uj做比较，如果控制单元Uj的高压侧逻辑母线Bh、中压侧逻辑母线Bm与步骤4)中找到的高压侧逻辑母线Bh和中压侧逻辑母线Bm都相同，则把该变压器Ti加入到该控制单元Uj中，并跳转到步骤7)，否则建立新的控制单元Ui，将变压器Ti、高压侧逻辑母线Bh、中压侧逻辑母线Bm加入到该控制单元Ui中；

6)对变压器Ti的低压侧绕组的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛以内的低压侧逻辑母线Bl，将低压侧逻辑母线Bl加入到控制单元Ui中；

7)返回步骤2)处理下一台变压器，直到拓扑结构中变电站的全部变压器都加入到控制单元中；

8)选择变电站内某台无功补偿设备Cpi，对Cpi的连接端点，根据该连接端点在拓扑着色编码中找到其所在的拓扑岛内的低压逻辑母线，将Cpi加入到该低压逻辑母线所在的控制单元中；

9)返回步骤8)处理下一台低压侧无功设备，直到变电站中全部无功补偿设备都加入到控制单元中，至此全部控制单元生成完毕。